Epigenetyczna kontrola

ekspresji genu

Epigenetyka



Oznacza naukę o mechanizmach
różnicowanie i rozwoju organizmów



Zajmuje się badaniem dziedziczności
pozagenowej oraz zjawisk
towarzyszących ekspresji genów

Epigenetyka c.d.



Bada mechanizmy rozwojowe prowadzące do
powstawania cech dziedzicznych nie
związanych z mutacjami (dziedziczność
pozagenowa - niezwiązana z sekwencja DNA)

Przykłady:



mechanizmy wyciszania transkrypcji



inaktywacja chromosomu X



wyciszanie ekspresji w rejonach centromerów i
telomerów

Dziedziczność pozagenowa -
przykłady



kontrola transpozycji transpozonów i
retrotranspozonów - przez metylację DNA



dziedziczenie związane z prionami (u drożdży)



dziedziczenie mitochondrialne
(niemendlowskie)



interferencja RNA

Mechanizmy molekularne
epigenetyki



Metylacje



Acetylacje



Fosforylacje



dotyczy głównie histonów i DNA



ma wpływ na aktywność genów

Metylacja



Dodanie grupy metylowej do zasady azotowej, zwykle
cytozyny (czasem adeniny), powstaje 5-metylocytozyna



katalizowana przez metylazy DNA



np. metylacja histyny 9 w histonie H3

 spadek ekspresji genów



czasem metylacja może powodować wzrost ekspresji



wzrost metylacji części regulatorowej genu (promotora)

 spadek ekspresji genu

 Uważa się że metylacja jest skutkiem procesu

wyciszania transkrypcji, a nie jego przyczyną.

Metylacja c.d.

Odpowiada za:



Imprinting rodzicielski (zapobieganie partenogenezie)



Inaktywacja chromosomu X w komórkach samic ssaków
łożyskowych



Regulacja ekspresji genu (co pozwala na różnicowanie
komórek i tkanek)



Modulacja struktury chromatyny (euchromatyna -
heterochromatyna)

Metylacja c.d.



Jest odpowiedzialna za różnicowanie komórek i tkanek



wzór metylacji ustala się tylko raz w danej komórce (linii
komórek) i jest przekazywany w kolejnych rundach
replikacyjnych (dokonują tego metylazy DNA zdolne do
rozpoznawania hemimetylowanego DNA - tylko 1 nić
zmetylowana)



wzór metylacji jest wymazywany w zygocie i przywracany
przed gastrulacją



jest on ustalany zgodnie z płcią osobnika!



kobiety i mężczyźni mają inne wzory metylacji (w rejonach
niektórych genów)



u ssaków ok. 5% DNA jest stale zmetylowane

Imprinting



Imprinting genomowy, rodzicielskie piętno genomowe,
naznaczenie genetyczne - polega na różnym stopniu metylacji
genów w komórkach jajowych i komórkach plemnikowych. Gen jest
metylowany na allelu pochodzącym od jednego z rodziców. Nakładanie
imprintingu zachodzi w czasie gametogenezy. (matczyny - podczas
dojrzewania oocytu, ocjowski - w spermatocytach I rzędu) Wtedy jest
znoszony wzór metylacji odziedziczony po rodzicach i nakładany nowy,
zależny od płci. Do zmetylowanego nukleotydu nie mogą się
przyczepić czynniki transkrypcyjne, co powoduje wyciszenie genu.



Zjawisko to pozwala zapobiegać partenogenezie, która jest możliwa u
niewielkiej liczby gatunków (np. u pszczół) i powoduje zmniejszenie
zmienności organizmów. Imprinting jest wynikiem konkurencji
materiału genetycznego żeńskiego (przekazywanie genów,
wychowanie potomstwa) i męskiego (odżywianie i rozwój zarodka).

Imprinting c.d.



Gdy z zygoty u myszy, przed zlaniem się jąder komórkowych
plemnika i komórki jajowej usuwa się przedjądrze męskie i
wprowadza żeńskie, to zarodek zamiera na skutek
niedorozwoju trofoblastu, a gdy usuwa się przedjądrze żeńskie
i wprowadza męskie - zarodek zamiera na skutek niedorozwoju
zarodka.

Przykładowo imprintingowi ulegają geny:



IGF2 - insulinopodobny czynnik wzrostu; pracuje głównie w
macicy, ale niezmetylowany jest allel ojcowski



H19 - gen, który wycisza ekspresję Igf2 i ustala się równowaga
w rozwoju zarodka między genomem męskim i żeńskim.

Hipermetylacja wysp CpG



wyspy CpG normalnie pozostają niezmetylowane.



konsekwencją hipermetylacji jest wyciszenie funkcji genów
supresorowych



Przykładem może być hipermetylacja promotora genu p16 (INK4A),
która występuje w wielu nowotworach. p16 jest inhibitorem kinazy
cyklinozależnej, który negatywnie reguluje przejście komórki z fazy G1
do S. Zatem nieprawidłowa ekspresja prowadzi do zaburzeń cyklu
komórkowego i utratą kontroli nad nim, co stymuluje proliferację i
wpływa na rozwój nowotworu.



Metylacja zależy od typu nowotworu w przypadku następujących genów:

– BRCA1- rak piersi i jajników
– hMLH1- rak odbytu, endometrium, żołądka
– p73 i p15 w białaczce

Inaktywacja chromosomu X u kobiet



Zachodzi ok. 16 dnia po zapłodnieniu



skondensowany chromosom X tworzy ciałko Barra
(grudka chromatyny płciowej)



dochodzi do niej losowo - w jednych komórkach
wyciszany jest X od matki, w innych od ojca
(mozaicyzm)



dzięki temu kobiety znacznie rzadziej chorują na
zaburzenia sprzężone z chromosomem X (bo mają 2
rodzaje kopii chromosomu X - w części komórek
matczyną, w innych - ojcowską, produkt genu z jednej
populacji komórek zwykle wystarcza na prawidłowe
funkcjonowanie lub lżejszy przebieg zaburzeń)

Inaktywacja chromosomu X - podstawy
molekularne



Proces ten przebiega wskutek:

– hipermetylacji lizyny 9 histonu H3
– deacetylacji histonów
– metylacjii DNA



regulują go cząsteczki RNA - produkty genu Xist
(regulacja pamięci epigenetycznej)



nieaktywny chromosom X jest reaktywowany w linii
płciowej

– zanik ekspresji genu Xist
– w profazie 1. podziału mejotycznego

Zaburzenia epigenetyczne



Zespół łamliwego chromosomu X



Z. Retta



Z. Praddera-Williego



Z. Angelmana



Z. BWS (zespół uszkodzenia imprintingu genów
ojcowskich)



Z. ICF (defekt acetylotransferazy)



Z. ATR-X (zaburzenia metylacji)



niektóre nowotwory - zaburzenia imprintingu



arterioskleroza - zaburzenia różnicowania
komórek mięśni gładkich

Zespół Retta



Mutacja w genie MECP2 (locus Xq28)



dziedziczenie dominujące (sprzężone z X)



często spontaniczna mutacja (zdrowa rodzina)



produkt białkowy steruje pracą genów:

– produkcji mózgowego czynnika wzrostu nerwów
– mitochondrialnych



u chłopców bardzo ciężkie uszkodzenie - wada letalna



więc przeżywają prawie wyłącznie dziewczynki!

– nasilona dyspraksja (problemy z poruszaniem się)
– ruchy stereotypowe w obrębie kończyn górnych
– upośledzenie umysłowe